如何在存在全內反射(TIR)的情況下應用散射

在本文中，我們將展示如何利用虛擬表面來對具有全內反射(TIR)的物體進行建模，同時保持其他獨特的表面特性，例如粗糙的表面結構。

在OpticStudio中，全內反射(TIR)在其他表面屬性（例如散射）之前應用于表面。在嘗試對包含光學粗糙表面的光管或光纖進行建模時，這可能會導致問題。此類元件依賴于TIR，但由于表面粗糙度而無法實現(xiàn)完美的TIR行為。為了正確模擬此類系統(tǒng)，可以使用嵌入表面，以便在TIR之前應用散射函數(shù)。

一個直徑為10毫米、長度為50毫米的PMMA圓柱體。鏡頭數(shù)據(jù)編輯器如下圖所示。第1行包含一個以15°發(fā)射光線的源。第4行和第5行將檢測器矩形放置在圓柱體表面的內部和外部。我們使用Cylinder Volume對象制作了一個光管。管道的直徑為10毫米，長度為50毫米。

非連續(xù)著色模型顯示入射在圓柱體底面上的光線。光線不會發(fā)生任何散射，并通過TIR反射回圓柱體。

請注意，“Color Rays By:”已設置為“Segment #”。這會在光線每次與對象交互時更改光線的顏色。請注意，還選中了“Scatter NSC Rays”。

現(xiàn)在，假設圓柱體具有我們想要使用Scatter函數(shù)建模的粗糙或地面表面。因此，“Lambertian”散射函數(shù)被添加到對象屬性中圓柱的側面，如下所示：

新的著色模型圖如下所示。在散射函數(shù)之前應用TIR時，反射光線（以綠色顯示）被散射，但光線全部散射到圓柱體中。實際上，在粗糙的表面上，光線也會從圓柱體中散射出來。

當光線與圓柱體相交時，OpticStudio中會進行兩次計算。首先，軟件根據(jù)斯涅爾定律計算鏡面反射光線路徑。接下來，應用散射函數(shù)使光線偏離鏡面反射路徑。結果是所有光線都在界面內部散射，光線不可能在管道外散射。

檢測器上的輸出——一個在圓柱體內部，一個在圓柱體外部——也表明在第一次反射時沒有任何入射光線被散射出圓柱體。光線僅在隨后的反彈后離開圓柱體，在第二個探測器上產生均勻的低水平照明，而不是我們期望從粗糙表面產生的亮點。

下面，左側的檢測器顯示了來自光管內的集中光束。右側的檢測器顯示漫射光束，表明光線僅在多次反彈后才離開光管。

解決方案

這個問題的解決方案是在圓柱體內部嵌入一個虛擬表面，并將散射函數(shù)應用于該表面。這迫使軟件在TIR之前應用散射函數(shù)，因為光線在遇到計算斯涅爾定律的空氣-玻璃界面之前先遇到散射表面。

在Non-Sequential Component Editor的第3行是一個Cylinder Pipe對象，如下所示。對象沒有定義材料，因此沒有散射函數(shù)，斯涅爾定律不會在圓柱管表面產生光線偏差。在這種情況下，圓柱管的半徑設置為4.98毫米，或比定義光管的圓柱體積小20微米。散射函數(shù)放置在圓柱管上，而不是放置在圓柱體本身上。

新的3D布局圖如下所示。光線現(xiàn)在從圓柱體中散射出來并返回到圓柱體中。探測器內部和外部的探測器現(xiàn)在顯示出類似的分布。

來源：光子位

審核編輯：湯梓紅